Описание системы регистрации и стимуляции сигналов с использованием мультиэлектродной матрицы

Описание эксперимента

Параллельная регистрация многоканальных потоков сигналов и электрическая стимуляция в нейрональных культурах позволяет использовать модельные биологические системы для исследования феномена обучения. Один из результатов в области обучения клеточных культур был получен группой исследователей из Израильского института Технион (Marom, 2001). Нейронная сеть подвергалась серии стимуляций, каждая из которых характеризовалась такими параметрами как частота стимуляции и длительность импульса. В экспериментах по обучению частота стимуляции варьируется от 0,1 до 0,3 Гц. Использование более высокой частоты приводит к подавлению активности культуры.

Каждой сессии стимуляции предшествовала тестовая последовательность из 100 стимулов, позволяющая достоверно определить происходящие изменения в электрической активности, наблюдаемой на одном электроде. Пара стимулирующих электродов выбиралась в соответствии со способностью индуцировать распространяющуюся электрическую активность в ответ на двухфазный биполярный импульс тока (с амплитудой 50 мкА, длительностью по 250 мкс каждой фазы импульса) на расположенных рядом электродов.

Обучение сети на генерацию заданного паттерна активности происходило по следующему алгоритму. При получении в течение фиксированного временного интервала определённого ответа на входной сигнал, стимуляция приостанавливалась на 5 мин. Данная процедура повторялась до момента, когда время реакции системы на предъявленный стимул достигнет заданного значения.

Регистрация внеклеточных потенциалов, характеризующих активность диссоциированной культуры гиппокампа, осуществляется параллельно по 64-м независимым каналам мультиэлектродной системы MED64 с высоким временным разрешением (20 кГц). Система MED64 (Рис. 1.1) состоит из следующих компонентов: усилитель, мультиэлектродная матрица (МЭМ) с 64-мя планарными электродами (Рис. 1.2) и коннектор для соединения матрицы с усилителем.

Рисунок 1.1. Система MED64 (Alpha MED Sciences, Japan)

Рисунок 1.2. Мультиэлектродная матрица системы MED64 с 64-мя электродами, каждый размером 50х50 мкм и расстоянием между центрами электродов 150 мкм

Мультиэлектродные матрицы или массивы микроэлектродов - устройства, которые содержат многослойные проводники, через которые передаются сигналы нейронов. На рисунке 1.3 приведено схематичное строение мультиэлектродной матрицы.

Рисунок 1.3. Схема строения электродов системы MED64

Стеклянное основание зонда (50x50x0,7 мм) содержит цилиндрическую камеру диаметром 22 мм и высотой 5 мм, в центре которой на площади 1 мм² расположена 64-электродная матрица для регистрации активности и электрической стимуляции нейронов. Микроэлектроды состоят из прозрачного оксида индия (In₂O₃), легированного оксидом олова (SnO₂) (Indium tin oxide – ITO) и покрытого черной платиной. Размер электродов – 50х50 мкм, расстояние между их центрами – 150 мкм. Изолирующее покрытие – полиакриламид.

В возбужденном состоянии нейроны создают потоки ионов через мембраны, изменяя напряжённость электрического поля вокруг активной клетки. Изменение электрического поля регистрируются электродами МЭМ в виде внеклеточного импульса (потенциала действия) (Рис.1.4).

Рисунок 1.4. Пример регистрации внеклеточного импульса (потенциала действия) на электроде

При регистрации электрической активности амплитуда регистрируемого потенциала спадает с увеличением расстояния между электродом и генерирующей потенциал клеткой.

Дата добавления: 2014-12-25